【嵌入式Linux内核驱动】SPI子系统 | 硬件原理 | 应用编程 | 内核驱动

1. 硬件原理

1.1 SPI通信协议

SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）
同步，全双工
支持总线挂载多设备（一主多从）

1.2 硬件连接

多NSS独立片选方式
菊花链方式

引脚	含义
DO(MOSI)	Master Output, Slave Input， SPI主控用来发出数据，SPI从设备用来接收数据，输出引脚设置为推挽输出
DI(MISO)	Master Input, Slave Output， SPI主控用来发出数据，SPI从设备用来接收数据，输入引脚设置为浮空或上拉输入，从机不输出时为高阻态。
SCK	Serial Clock，时钟
CS	Chip Select，芯片选择引脚，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

移位寄存器示意图

1.3 时序

起始：CS从高到低
终止：CS从低到高

SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA可以分别为0或1，由此构成了四种组合：

CPOL	CPHA	模式	含义
0	0	0	CLK初始电平为低电平，在第一个时钟沿采样数据
0	1	1	CLK初始电平为低电平，在第二个时钟沿采样数据
1	0	2	CLK初始电平为高电平，在第一个时钟沿采样数据
1	1	3	CLK初始电平为高电平，在第二个时钟沿采样数据

常用的是模式0和模式3，因为它们都是在上升沿采样数据，不用去在乎时钟的初始电平是什么，只要在上升沿采集数据就行。

IIC有效字节流数据第一个字节是寄存器地址，之后是读写的数据，使用的是读写寄存器模型

SPI用指令码加读写数据模型，发送指令字节的方式来读取，从机中有指令集对应，

发送指令。

指定地址读。

指定地址写。

1.4 代码

IO模拟

void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend) //交换字节，发送的话就不需要读取返回值，接收的话就发送0XFF接收返回的数据。
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i ++)  //模式0，其他模式对着时序图换一下MySPI_W_SCK就行
	{
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCK(1);  
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	
	return ByteReceive;
}

1.5 SPI FLASH W25Qxx

1.5.1 硬件原理

W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器，常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景
存储介质：Nor Flash（闪存）
时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)
存储容量（24位地址）：

W25Q40： 4Mbit / 512KByte

W25Q80： 8Mbit / 1MByte

W25Q16： 16Mbit / 2MByte

W25Q32： 32Mbit / 4MByte

W25Q64： 64Mbit / 8MByte

W25Q128： 128Mbit / 16MByte

W25Q256： 256Mbit / 32MByte

spi flash hold

spi flash hold
该引脚接收到低电平时，且 /CS=0，数据引脚为高阻态，芯片可以屏蔽总线的数据和时钟信号，当引脚为高电平时，可以继续恢复对芯片的操作，适用于多设备SPI控制，分时使用。这个引脚的意义是引进了3种设备情况：设备不被选中，被选中但不工作，被选中且工作；没有这个引脚功能时，芯片只有两种情况：不被选中，选中且工作。

该引脚通过控制寄存器可以有复用功能，作为数据引脚。

SPI Flash有三种工作模式

SPI Flash有三种工作模式：Standard SPI，Dual SPI，Quad SPI。这三种模式的区别在于数据引脚的数量和功能不一样。

Standard SPI
标准SPI，也就是我们常说的四线：片选 （/CS）,时钟 （CLK），输入数据 （DI），输出数据 （DO）。另外配有写保护 （/WP） 和维持 （/HOLD） 功能。

Dual SPI
这种工作模式就是对标准SPI进行了改进，将DO，DI改成IO1和IO2，变成了双向IO口，这样一个时钟周期可以读写2位数据。写保护（/WP）和维持（/HOLD）功能仍然保留。

Quad SPI
这种工作模式是对Dual SPI模式进行改进，就是上面讲的，将写保护 （/WP） 和维持 （/HOLD） 引脚复用为IO口，标记为IO3，IO4，这样总共就是四个IO口，数据传送速度更快。

空间划分：块64KB，扇区4KB，页256B
SPI控制逻辑
状态寄存器
页缓存，会对一次性写入的数据缓存

1.5.2 Flash操作注意事项

写入操作时：

写入操作前，必须先进行写使能
每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1（不能覆盖改写，要先擦除，发送擦除指令）
写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1
擦除必须按最小擦除单元进行
连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入
写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作

读取操作时：

直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制，读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取

BUSY

擦除和写入会变为忙状态，每次操作都要先读是不是忙状态再操作。

WEL

任何写入都要先写使能

1.5.3 代码

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID); //发送读ID指令
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换读取8位厂商ID
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换读取高8位设备ID
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//交换读取低8位设备ID
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE); 
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1); //读状态寄存器
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01) //查看是否忙状态
	{
		Timeout --; 
		if (Timeout == 0) //超时判断
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}

//页编程：页的某个地址写一堆数据
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count) 
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable(); 
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16); //先发地址最高位
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)  //循环发送数据
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy(); //事后等待，保证出了这个函数是不忙的，会浪费资源。
                       //也可以放在最前面，事前等待
}

//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}

//读数据
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
	uint32_t i;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	}
	MySPI_Stop();
}

1.6 常见面试问题

SPI总线的工作频率

SPI是一种事实标准，由Motorola开发，并没有一个官方标准。已知的有的器件SPI已达到50Mbps。具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。

SPI最大传输速率受以下几个条件影响：

1）SPI的最大时钟频率；

2）CPU处理SPI数据的能力；

3）输出端驱动能力（PCB所允许的最大信号传输速率）；

W25Qxx系列时钟频率：80MHz/160MHz(Dual SPI)/320MHz(Quad SPI)

SPI优缺点

SPI的优点

全双工串行通信；
高速数据传输速率。
简单的软件配置；
极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

SPI的缺点

没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
通常仅支持一个主设备；
需要更多的引脚（与I2C不同）；
没有定义硬件级别的错误检查协议；
与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

2. 应用编程–spidev应用程序分析

内核提供的测试程序：tools\spi\spidev_fdx.c

2.1 使用方法

spidev_fdx [-h] [-m N] [-r N] /dev/spidevB.D

-h: 打印用法
-m N：先写1个字节0xaa，再读N个字节，**注意：**不是同时写同时读
-r N：读N个字节

2.2 代码分析

2.2.1 显示设备属性

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ReVgcpf6-1689342862460)(pic/29_spidev_dumpstat.png)]

2.2.2 读数据

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hNsNpymg-1689342862460)(pic/30_spidev_do_read.png)]

2.2.3 先写再读

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AgQ7ji6m-1689342862460)(pic/31_spidev_write_then_read.png)]

2.2.4 同时读写

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-URIIsxc2-1689342862461)(pic/32_spidev_read_write_same_time.png)]

2.3 spidev的缺点

使用read、write函数时，只能读、写，这是半双工方式。

使用ioctl可以达到全双工的读写。

但是spidev有2个缺点：

不支持中断
只支持同步操作，不支持异步操作：就是read/write/ioctl这些函数只能执行完毕才可返回

3.内核驱动

总线-设备-驱动模型

spi_drv_frame

SPI子系统中：SPI控制器、SPI设备-驱动。

在设备树里，会有一个节点用来表示SPI控制器。

在这个SPI控制器下面，连接有哪些SPI设备？会在设备树里使用子节点来描述SPI设备。

官方的通用dev驱动spidev驱动程序

自己编写设备spi驱动程序，如DAC4822，TLC5615，OLED SD1306

SPI_Master驱动程序框架

SPI_Slave_Mode驱动程序框架